JP2019002389A - ガスタービンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の起動に消費される電力を低減するのに適した技術を提供する。【解決手段】第１シャフト２２は、第１圧縮機２１と第１膨張タービン２３とを連結している。第１経路７０ａは、第１圧縮機２１と、第１接続点ｐ１と、燃焼器２６と、第１膨張タービン２３と、をこの順に接続している。第２経路７０ｂは、第１接続点ｐ１と、第２圧縮機５１と、第２接続点ｐ２と、第１弁７５ａと、第２膨張タービン５３と、をこの順に接続している。第３経路７０ｃは、第２接続点ｐ２と、第２弁７５ｂと、第１膨張タービン２３とを、この順に接続している。【選択図】図１

Description

本開示は、ガスタービンシステムに関する。

従来、ガスタービンシステムについて、種々の検討がなされている。特許文献１には、ガスタービンシステムの一例が記載されている。

特許文献１のガスタービンシステムは、ガスタービン装置を備えている。このガスタービン装置は、発電機と圧縮機とを有している。特許文献１には、起動時に、発電機を電動機として用いることによって、圧縮機を駆動することが記載されている。

特許第５８１０２５３号公報

起動時に圧縮機に発電機から駆動トルクを与える場合、発電機で電力が消費される。この電力は、小さいことが望ましい。

本開示は、圧縮機の起動に消費される電力を低減するのに適した技術を提供することを目的とする。

本開示は、
ガスタービンシステムであって、
作動流体が流れる流体経路であって、第１経路、第２経路および第３経路を有する流体経路を備え、
第１圧縮機と、第２圧縮機と、第１膨張タービンと、第２膨張タービンと、第１シャフトと、燃焼器と、第１弁と、第２弁と、を含み、
前記第１シャフトは、前記第１圧縮機と前記第１膨張タービンとを連結し、
前記第１経路は、前記第１圧縮機と、第１接続点と、前記燃焼器と、前記第１膨張タービンと、をこの順に接続し、
前記第２経路は、前記第１接続点と、前記第２圧縮機と、第２接続点と、前記第１弁と、前記第２膨張タービンと、をこの順に接続し、
前記第３経路は、前記第２接続点と、前記第２弁と、前記第１膨張タービンと、をこの順に接続している、ガスタービンシステムを提供する。

本開示に係る技術は、圧縮機の起動に消費される電力を低減するのに適している。

実施の形態１に係るガスタービンシステムの概略構成を示す図 実施の形態１に係るガスタービンシステムの起動フローを示す図 実施の形態１における第１膨張タービンの構成図 図３に示す第１膨張タービンの内部構造を説明するための図 作動流体が動翼に向かって吐出される様を模式的に示す図 実施の形態２に係るガスタービンシステムの概略構成を示す図 実施の形態２に係るガスタービンシステムの起動フローを示す図

本開示の第１態様は、
ガスタービンシステムであって、
作動流体が流れる流体経路であって、第１経路、第２経路および第３経路を有する流体経路を備え、
第１圧縮機と、第２圧縮機と、第１膨張タービンと、第２膨張タービンと、第１シャフトと、燃焼器と、第１弁と、第２弁と、を含み、
前記第１シャフトは、前記第１圧縮機と前記第１膨張タービンとを連結し、
前記第１経路は、前記第１圧縮機と、第１接続点と、前記燃焼器と、前記第１膨張タービンと、をこの順に接続し、
前記第２経路は、前記第１接続点と、前記第２圧縮機と、第２接続点と、前記第１弁と、前記第２膨張タービンと、をこの順に接続し、
前記第３経路は、前記第２接続点と、前記第２弁と、前記第１膨張タービンと、をこの順に接続している、ガスタービンシステムを提供する。

第３経路は、作動流体を、第１膨張タービンに導くことができる。このようにして導かれた作動流体は、第１膨張タービンにトルクを与える。このトルクは、第１シャフトによって、第１圧縮機に伝達される。伝達されたトルクは、第１圧縮機の起動に消費される電力を低減させる。このような理由で、第１態様は、第１圧縮機の起動に消費される電力を低減するのに適している。

本開示の第２態様は、第１態様に加え、
前記第１膨張タービンは、前記第１シャフトに固定された羽根車を有し、
前記羽根車は、前記第１シャフトの中心軸を中心に放射状に延びる複数の動翼を有し、
前記第３経路は、前記作動流体を吐出方向に吐出させて前記作動流体を前記複数の動翼に衝突させる吐出口を有し、
前記吐出口の中心から前記吐出方向に延びる直線を仮想線と定義し、前記中心軸と前記複数の動翼の外周端の間の距離を翼径と定義したとき、前記中心軸と前記仮想線の間の距離は、前記翼径の５０％〜１００％である、ガスタービンシステムを提供する。

第２態様によれば、第１膨張タービンの羽根車を好適に回転させることができる。従って、第２態様は、第１膨張タービンのトルクを確保するのに適している。

本開示の第３態様は、第１態様または第２態様に加え、
前記ガスタービンシステムは、第３弁を含み、
前記第１経路は、前記第１圧縮機と、前記第３弁と、前記燃焼器と、をこの順に接続している、ガスタービンシステムを提供する。

第３態様の第３弁によれば、第１圧縮機への作動流体の供給量を絞ることができる。これにより、第１圧縮機の起動に必要なトルクを低減させることができる。

本開示の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれか一つに加え、
前記ガスタービンシステムは、前記第１シャフトによって前記第１膨張タービンに連結された第１発電機および／または第２シャフトによって前記第２膨張タービンに連結された第２発電機を含む、ガスタービンシステムを提供する。

第４態様のガスタービンシステムによれば、電力と、温熱と、冷熱と、を使用することができる。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施の形態に限定されない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るガスタービンシステム１Ａの概略構成を示す図である。

ガスタービンシステム１Ａは、作動流体が流れる流体経路７０を備えている。流体経路７０は、第１経路７０ａ、第２経路７０ｂおよび第３経路７０ｃを有している。また、流体経路７０は、第４経路７０ｄおよび第５経路７０ｅを有している。これらの経路７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄおよび７０ｅは、互いに独立した経路である。

ガスタービンシステム１Ａは、燃料が流れる燃料経路７１を備えている。

ガスタービンシステム１Ａは、第１圧縮機２１と、第２圧縮機５１と、を含んでいる。システム１Ａは、第１膨張タービン２３と、第２膨張タービン５３と、を含んでいる。システム１Ａは、第１発電機７７と、第２発電機７８と、を含んでいる。システム１Ａは、第１シャフト２２と、第２シャフト５２と、を含んでいる。システム１Ａは、燃焼器２６を含んでいる。システム１Ａは、再生熱交換器２７と、抽気冷却器７３と、を含んでいる。システム１Ａは、回転数検出器８０を含んでいる。システム１Ａは、制御装置９９を含んでいる。システム１Ａは、第１弁７５ａと、第２弁７５ｂと、を含んでいる。システム１Ａは、第４弁７５ｄと、第５弁７５ｅと、を含んでいる。

本実施の形態では、第１圧縮機２１および第２圧縮機５１は、ターボ圧縮機である。

本実施の形態では、第１発電機７７および第２発電機７８は、発電機としても電動機としても動作する。

再生熱交換器２７は、熱供給部２７ａと、熱回収部２７ｂと、を含んでいる。熱供給部２７ａおよび熱回収部２７ｂは、第１経路７０ａの一部を構成している。

本実施の形態では、第１弁７５ａ、第２弁７５ｂ、第４弁７５ｄおよび第５弁７５ｅは、仕切弁である。仕切弁は、その開度が０％および１００％の２つから選択される弁である。ただし、これらの弁７５ａ，７５ｂ，７５ｄおよび７５ｅは、０％以上１００％以下の任意の開度をとることができる弁であってもよい。

第１シャフト２２は、第１圧縮機２１と第１膨張タービン２３とを連結している。具体的には、第１シャフト２２は、第１圧縮機２１と第１膨張タービン２３と第１発電機７７とを連結している。第２シャフト５２は、第２圧縮機５１と第２膨張タービン５３とを連結している。具体的には、第２シャフト５２は、第２圧縮機５１と第２膨張タービン５３と第２発電機７８とを連結している。なお、第１発電機７７、第２シャフト５２及び第２発電機７８は、省略することができる。

第１経路７０ａは、第１圧縮機２１と、第１接続点ｐ１と、燃焼器２６と、第１膨張タービン２３と、をこの順に接続している。具体的には、第１経路７０ａは、第１圧縮機２１と、第１接続点ｐ１と、再生熱交換器２７の熱供給部２７ａと、燃焼器２６と、第１膨張タービン２３と、再生熱交換器２７の熱回収部２７ｂと、をこの順に接続している。

第１経路７０ａは、第１部分７０ａ１と、第２部分７０ａ２と、を有している。第１部分７０ａ１は、第１圧縮機２１と燃焼器２６との間に存在する部分である。第２部分７０ａ２は、燃焼器２６と第１膨張タービン２３との間に存在する部分である。

第２経路７０ｂは、第１接続点ｐ１と、第２圧縮機５１と、第２接続点ｐ２と、第１弁７５ａと、第２膨張タービン５３と、をこの順に接続している。本実施の形態では、第２経路７０ｂは、第１接続点ｐ１と、第５弁７５ｅと、第２圧縮機５１と、抽気冷却器７３と、第２接続点ｐ２と、第１弁７５ａと、第２膨張タービン５３と、をこの順に接続している。

第３経路７０ｃは、第２接続点ｐ２と、第２弁７５ｂと、第１膨張タービン２３と、をこの順に接続している。

第４経路７０ｄは、ガスタービンシステム１Ａの外部と、第４弁７５ｄと、第２圧縮機５１と、をこの順に接続している。本実施の形態では、第４経路７０ｄは、システム１Ａの外部における大気中の空気を、作動流体として第２圧縮機５１に導く。

第５経路７０ｅは、ガスタービンシステム１Ａの外部と第１圧縮機２１とを接続している。本実施の形態では、第５経路７０ｅは、システム１Ａの外部における大気中の空気を、作動流体として第１圧縮機２１に導く。

燃料経路７１は、抽気冷却器７３と燃焼器２６とを接続している。燃料経路７１は、図示しないタンクから燃焼器２６へと燃料を導く。

ガスタービンシステム１Ａでは、ガスタービン装置２と、冷却流体生成装置５と、が構成されている。

ガスタービン装置２は、第１圧縮機２１と、第１膨張タービン２３と、第１発電機７７と、第１シャフト２２と、再生熱交換器２７と、燃焼器２６と、回転数検出器８０と、を含んでいる。

冷却流体生成装置５は、第２圧縮機５１と、第２膨張タービン５３と、第２発電機７８と、第２シャフト５２と、抽気冷却器７３と、第１弁７５ａと、を含んでいる。

以下、ガスタービンシステム１Ａの定常運転時の動作および作用を説明する。

本実施の形態では、大気中の空気が、作動流体として第５経路７０ｅを介してガスタービン装置２に流入する。第１圧縮機２１は、この作動流体を吸入し、圧縮する。

次に、作動流体は、再生熱交換器２７の熱供給部２７ａに流入する。一方、再生熱交換器２７の熱回収部２７ｂには、第１膨張タービン２３から吐出された高温ガスが流入する。再生熱交換器２７において、熱供給部２７ａにおける作動流体は、熱回収部２７ｂにおける高温ガスと熱交換し、高温となる。

なお、再生熱交換器２７は、省略することができる。

次に、作動流体は、燃焼器２６に流入する。燃焼器２６では、流入した作動流体中に燃料が噴射され、該燃料が燃焼する。これにより、高温の燃焼ガスが発生する。このようにして、燃焼器２６において、作動流体は、燃焼ガスとなり、さらに高温となる。

燃焼器２６で燃焼させる燃料としては、液体燃料および気体燃料が例示される。液体燃料としては、液化天然ガス（ＬＮＧ）、ガソリン、ディーゼル油、メタノールおよびエタノール等のアルコール燃料が例示される。液体燃料は、アルコール燃料を含むアルコール系混合燃料であってもよい。気体燃料としては、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、プロパン（ＬＰＧ）および水素が例示される。液体燃料によれば、燃料タンクの容積を小さくすることができる。気体燃料によれば、燃焼器２６への燃料噴射機構を簡易化することができる。

次に、作動流体は、第１膨張タービン２３に流入する。第１膨張タービン２３において、作動流体は、膨張し、その圧力が大気圧程度まで減少する。

次に、作動流体は、再生熱交換器２７の熱回収部２７ｂに流入する。先に説明したとおり、熱回収部２７ｂに流入する作動流体は、高温ガスであり、熱供給部２７ａにおける作動流体を加熱する。

第１膨張タービン２３は、膨張する燃焼ガスから回転トルクとして動力を取り出し、第１圧縮機２１を駆動するとともに、余剰電力を第１発電機７７に与える。このように、第１発電機７７では、第１膨張タービン２３の出力を用いた発電が行われる。

第１圧縮機２１から吐出された作動流体の一部は、第１接続点ｐ１を経由して、上述のように再生熱交換器２７および燃焼器２６へと流れていく。第１圧縮機２１から吐出された作動流体の別の一部は、第１接続点ｐ１で分岐して、第２経路７０ｂに流入する。

第１接続点ｐ１から第２経路７０ｂに流入した作動流体は、第５弁７５ｅを経由して、第２圧縮機５１に流入する。このようにして第２圧縮機５１に流入する作動流体を、抽気と称することができる。また、第５弁７５ｅを、抽気弁と称することができる。第２圧縮機５１は、作動流体を吸入し、圧縮する。

第２圧縮機５１から吐出された高圧の作動流体は、抽気冷却器７３に流入する。作動流体は、抽気冷却器７３において、燃料経路７１における燃料と熱交換する。これにより、作動流体が冷却される。一方、燃料は、加熱される。この加熱は、燃焼器２６で得られる燃焼エネルギーを大きくする。

抽気冷却器７３における熱交換によれば、第２圧縮機５１で作動流体が圧縮されて発生した熱を無駄に捨てることなくガスタービンシステム１Ａ内で有効利用できる。これにより、システム１Ａ全体の効率が向上する。ただし、抽気冷却器７３を省略してもよい。また、第２圧縮機５１から吐出された作動流体を、燃料以外の媒体と熱交換させてもよい。

抽気冷却器７３から流出した高圧の作動流体は、第１弁７５ａを経由して、第２膨張タービン５３に流入する。作動流体は、第２膨張タービン５３において、膨張し、その圧力が大気圧程度まで減少する。この膨張により、作動流体が冷気等の冷却流体となる。

第２膨張タービン５３は、膨張する作動流体から回転トルクとして動力を取り出し、第２圧縮機５１を駆動するとともに、余剰電力を第２発電機７８に与える。このように、第２発電機７８では、第２膨張タービン５３の出力を用いた発電が行われる。

ガスタービンシステム１Ａによれば、温熱すなわち第１膨張タービン２３の排熱を利用することができる。具体的には、第１経路７０ａにおける第１膨張タービン２３よりも下流側の部分（以下、第１下流部分と称することがある）を流れる作動流体の温熱を利用できる。より具体的には、第１経路７０ａにおける熱回収部２７ｂよりも下流側の部分を流れる作動流体の温熱を利用できる。この温熱は、暖房、給湯等に利用できる。また、この温熱を利用した発電機を構成することもできる。

ガスタービンシステム１Ａによれば、冷熱を利用することができる。具体的には、第２経路７０ｂにおける第２膨張タービン５３よりも下流側の部分（以下、第２下流部分と称することがある）を流れる作動流体の冷熱を利用できる。この冷熱は、冷房、冷蔵、冷凍等に利用できる。第２下流部分を流れる作動流体をそのまま利用してもよく、水分離機器を用いて第２下流部分を流れる作動流体の水分を減少させてもよく、ブロア等を用いて第２下流部分を流れる作動流体に空気を混合させてもよい。

ガスタービンシステム１Ａは、第１下流部分における作動流体と第２下流部分における作動流体との熱交換を行う熱交換器を含んでいてもよい。このような熱交換器があれば、第１下流部分における高温の作動流体により第２下流部分における低温の作動流体を適度に加熱して、第２下流部分における作動流体を暖房、給湯等に利用することができる。

このように、ガスタービンシステム１Ａは、第１シャフト２２によって第１膨張タービン２３に連結された第１発電機７７および／または第２シャフト５２によって第２膨張タービン５３に連結された第２発電機７８を含んでいる。しかも、システム１Ａによれば、第１下流部分を流れる作動流体の温熱を利用できる。また、第２下流部分を流れる作動流体の冷熱を利用できる。このため、システム１Ａによれば、電力、温熱および冷熱を使用することができる。

次に、ガスタービンシステム１Ａの起動時に使用される構成の役割について説明する。

本実施の形態では、第４経路７０ｄには、大気中の空気が、ガスタービンシステム１Ａの外部から作動流体として流入する。第４経路７０ｄを流入経路と称することができる。第４弁７５ｄは、この作動流体の第２圧縮機５１への吸入を許可または禁止する。第４弁７５ｄを吸入弁と称することができる。

第１圧縮機２１の起動時には、第１発電機７７は、電動機として動作し、第１シャフト２２を回転させることにより第１圧縮機２１を駆動する。ただし、本実施の形態では、後述の説明により理解されるように、第１圧縮機２１の起動時に第１発電機７７で消費される電力を抑えることができる。

第２圧縮機５１の起動時には、第２発電機７８は、電動機として動作し、第２シャフト５２を回転させることにより第２圧縮機５１を駆動する。

以下、ガスタービンシステム１Ａの起動時の動作および作用の詳細を、図２を参照しつつ説明する。図２は、システム１Ａの起動フローを示す図である。

図２のステップＳ１では、ガスタービンシステム１Ａ、具体的には制御装置９９が、第５弁７５ｅおよび第１弁７５ａを閉じ、第２弁７５ｂおよび第４弁７５ｄを開く。ステップＳ１は、システム１Ａ外部から運転指令が入力されたときに実行される。

ステップＳ１の次に、ステップＳ２が実行される。ステップＳ２では、ガスタービンシステム１Ａ、具体的には制御装置９９が、第１発電機７７を駆動用モータとして使用して第１圧縮機２１を起動させる。また、システム１Ａ、具体的には制御装置９９が、第２発電機７８を駆動用モータとして使用して、第２圧縮機５１を起動させる。

ステップＳ２が実行されると、第４経路７０ｄを通じて第２圧縮機５１に作動流体が吸入される。先に述べたとおり、本実施形態では、この作動流体は、空気である。吸入された作動流体は、第２圧縮機５１において圧縮される。圧縮された作動流体は、第３経路７０ｃを通って、第１膨張タービン２３へと導かれる。

第３経路７０ｃは、第２経路７０ｂから分岐した経路である。第３経路７０ｃを分岐経路と称することができる。第３経路７０ｃは、作動流体を第２接続点ｐ２から第２弁７５ｂを介して第１膨張タービン２３に導く。

図３は、第１膨張タービン２３の構成図である。図４は、第１膨張タービン２３の内部構造を説明するための図である。図４では、ケーシング８１等が取り除かれている。図３および図４に示すように、本実施の形態の第１膨張タービン２３は、吸入口８４と、ケーシング８１と、羽根車９０と、静翼８３と、ディフューザー８２と、を有している。吸入口８４は、第１経路７０ａを流れてきた作動流体を第１膨張タービン２３の内部に導く。第３経路７０ｃを流れてきた作動流体も、第１膨張タービン２３の内部に導かれる。ケーシング８１は、羽根車９０を収納している。ディフューザー８２は、第１膨張タービン２３で膨張した作動流体を吹き出す。

具体的には、図５に示すように、羽根車９０は、第１シャフト２２に固定されている。羽根車９０は、第１シャフト２２の中心軸９１を中心に放射状に延びる複数の動翼７２を有している。第３経路７０ｃは、作動流体を吐出方向９２に吐出させて作動流体を複数の動翼７２に衝突させる吐出口ＩＯを有している。中心軸９１と仮想線９３の間の距離Ｘは、翼径Ｙの５０％〜１００％である。ここで、仮想線９３は、吐出口ＩＯの中心から吐出方向９２に延びる直線である。翼径Ｙは、中心軸９１と複数の動翼７２の外周端７２ｆの間の距離である。

第３経路７０ｃを通じて第１膨張タービン２３の内部に流入した作動流体は、第１膨張タービン２３にトルクを与える。このトルクは、第１シャフト２２によって第１圧縮機２１に伝達される。このため、第１発電機７７のトルクのみならず、第３経路７０ｃを通じて第１膨張タービン２３内部に流入した作動流体に由来するトルクを用いて、第１圧縮機２１を駆動させることができる。後者のトルクのアシストによれば、第１圧縮機２１の起動に消費される電力を低減させることができる。

さらに、本実施形態では、上述のように距離Ｘおよび翼径Ｙが関係づけられているため、第１膨張タービン２３の羽根車９０を好適に回転させることができる。従って、本実施の形態は、第１膨張タービン２３のトルクを確保するのに適している。距離Ｘは、翼径Ｙの７０％〜１００％であってもよく、翼径Ｙの９０％〜１００％であってもよい。

なお、図５では、図面を簡略化し、動翼７２を直線状に描いている。動翼７２の形状は、特に限定されない。

ステップＳ２の次に、ステップＳ３が実行される。ステップＳ３では、回転数検出器８０が、第１圧縮機２１の回転数を検出する。具体的には、ガスタービンシステム１Ａ全体の圧力バランスを安定状態に保ちながら、第１圧縮機２１の回転数を検出する。

ステップＳ３の次に、ステップＳ４が実行される。ステップＳ４では、第１圧縮機２１の回転数が、着火回転数まで昇速したかどうかが判定される。着火回転数は、燃焼器２６で燃料を安定して着火できる回転数として予め定められた回転数である。この判定は、制御装置９９によって行われる。着火回転数は、例えば、第１圧縮機２１の定常運転時の回転数（以下、定格回転数と称することがある）の４０〜６０％である。着火回転数は、具体的には、定格回転数の５０％にすることができる。第１圧縮機２１の回転数が着火回転数まで高まったと判定された場合には、ステップＳ５に進む。第１圧縮機２１の回転数が着火回転数まで高まっていないと判定された場合には、ステップＳ３に戻る。

ステップＳ３およびＳ４以外の方法で、ステップＳ５に進むかどうかを判定することもできる。一変形例では、図示しないタイマーによって、起動開始からの時間を計測する。起動開始から所定時間が経過したときに、フローがステップＳ５に進む。起動開始は、運転指令が入力された時点を指す。所定時間は、例えば１〜３分である。

ステップＳ５では、第１圧縮機２１の回転数を着火回転数に維持した状態で、燃焼器２６に燃料を噴射し、該燃料に着火する。

着火を確認した後、第１圧縮機２１の回転数を昇速させる。具体的には、ガスタービンシステム１Ａ全体の圧力バランスを安定状態に保ちながら、第１圧縮機２１の回転数を昇速させる。

この昇速の開始後に、ステップＳ６が実行される。ステップＳ６では、回転数検出器８０が、第１圧縮機２１の回転数を検出する。

ステップＳ６の次に、ステップＳ７が実行される。ステップＳ７では、第１圧縮機２１の回転数が、自立回転数に到達したかどうかが判定される。この判定は、制御装置９９によって行われる。自立回転数は、第１圧縮機２１に駆動トルクが与えられなくても第１圧縮機２１が回転を維持できる回転数として予め定められた回転数である。自立回転数は、例えば定格回転数の８０〜１００％であり、具体的には定格回転数であり得る。第１圧縮機２１の回転数が自立回転数まで高まったと判定された場合には、ステップＳ８に進む。第１圧縮機２１の回転数が自立回転数まで高まっていないと判定された場合には、ステップＳ６に戻る。

ステップＳ８では、ガスタービンシステム１Ａ、具体的には制御装置９９が、駆動用モータとして使用されていた第１発電機７７を、発電機に切り替える。

ステップＳ８の次に、ステップＳ９が実行される。ステップＳ９では、ガスタービンシステム１Ａ、具体的には制御装置９９が、第５弁７５ｅおよび第１弁７５ａを開き、第２弁７５ｂおよび第４弁７５ｄを閉じる。

ステップＳ９の次に、ステップＳ１０が実行される。ステップＳ１０では、ガスタービンシステム１Ａ、具体的には制御装置９９が、駆動用モータとして使用されていた第２発電機７８を、発電機に切り替える。これにより、起動運転から定常運転へと移行する。

本実施の形態では、第１圧縮機２１の起動時に、第２圧縮機５１から第３経路７０ｃを介して第１膨張タービン２３へと作動流体を吹き付ける。この吹き付けによるアシストの分だけ、起動時において第１発電機７７が第１圧縮機２１に与えるトルクが小さくなる。その結果、第１圧縮機２１の起動に消費される電力が低減される。

本実施の形態では、ステップＳ５において燃料に着火するまでは、第１発電機７７により第１圧縮機２１の回転数を急速に上昇させる。着火後には、燃焼ガスが、第１膨張タービン２３に吹き付けられる。その後、ステップＳ８において、第１圧縮機２１の自立運転が開始される。条件にもよるが、自立運転開始後は、自立運転開始前に比べ、第１圧縮機２１が失速し易い。そこで、本実施の形態の制御装置９９は、自立運転が開始されてから定常運転に移行されるまでの期間において、第１圧縮機２１の回転数を徐々に上昇させる制御を実行する。これにより、この期間において、第１圧縮機２１の失速が防止され、第１圧縮機２１が安定して動作する。また、このような制御によれば、ガスタービンシステム１Ａ全体の圧力バランスを安定状態に保ち易い。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２について説明する。なお、実施の形態２では、実施の形態１と同様の部分については同一符号を付し、説明を省略することがある。

図６は、実施の形態２に係るガスタービンシステム２Ａの概略構成を示す図である。

ガスタービンシステム２Ａは、第３弁７５ｃを有している。実施の形態２では、第１経路７０ａは、第１圧縮機２１と、第３弁７５ｃと、燃焼器２６と、をこの順に接続している。具体的には、第１経路７０ａは、第１圧縮機２１と、第３弁７５ｃと、第１接続点ｐ１と、をこの順に接続している。より具体的には、第３弁７５ｃは、第１圧縮機２１の吐出部に設けられている。第３弁７５ｃは、ガスタービン装置２に含まれる。

第３弁７５ｃは、第１圧縮機２１を流れる作動流体の流量を制御することができる。第３弁７５ｃを、流量制御弁と称することができる。第３弁７５ｃは、０％以上１００％以下の任意の開度をとることができる弁である。

以下、ガスタービンシステム２Ａの起動時の動作および作用の詳細を、図７を参照しつつ説明する。図７は、システム２Ａの起動フローを示す図である。

実施の形態２では、実施の形態１のステップＳ１に代えて、ステップＳ２１が実行される。ステップＳ２１では、ガスタービンシステム２Ａ、具体的には制御装置９９が、第５弁７５ｅおよび第１弁７５ａを閉じ、第２弁７５ｂおよび第４弁７５ｄを開き、第３弁７５ｃの開度を所定開度に調整する。ステップＳ２１は、システム２Ａ外部から運転指令が入力されたときに実行される。

所定開度は、１００％よりも小さい予め設定された開度であり、定常運転時の開度よりも小さい開度である。本実施の形態では、開度が所定開度に設定されることにより、第１圧縮機２１が失速しない程度に作動流体の流量が制限される。例えば、第１圧縮機２１を流れる作動流体の流量をＦＲと定義し、第１圧縮機２１が自立運転可能となる流量ＦＲの最小値をＦＲｍｉｎと定義したとき、所定開度は、流量ＦＲが最小値ＦＲｍｉｎの１５〜２５％になる開度である。本明細書では、「開度」とは、弁を全開にしたときに作動流体が通る通路の断面積を１００％としたときの、作動流体が通る通路の断面積を百分率で表したものである。

実施の形態２では、ステップＳ７において第１圧縮機２１の回転数が自立回転数まで高まったと判定された場合には、ステップＳ２５に進む。ステップＳ２５では、ガスタービンシステム２Ａ、具体的には制御装置９９が、第３弁７５ｃの開度を全開すなわち１００％にする。ステップＳ２５の後に、ステップＳ８に進む。

上述のように第３弁７５ｃの開度を所定開度に調整すれば、第１圧縮機２１への作動流体の供給量を絞ることができる。これにより、第１圧縮機２１の起動に必要なトルクを低減させることができる。

ターボ圧縮機においては、作動流体の流量が低下すると、圧縮機の翼に作動流体の流れが沿わなくなり、流れの剥離が生じ、圧縮機が失速することがある。失速は、サージングを引き起こし、圧縮機の性能を低下させることがある。また、失速は、翼、軸等を過大に振動させ破損させることもある。この点、本実施の形態では、第３弁７５ｃの開度を所定開度にまで狭める。これにより、失速およびサージングを回避し、第１圧縮機２１の運転を安定させることができる。このように、第３弁７５ｃの開度の調整により、第１圧縮機２１の翼車への負荷を小さくし、第１圧縮機２１の寿命を延ばすことができる。

本実施の形態では、所定開度は、流量ＦＲが最小値ＦＲｍｉｎの１５〜２５％になる開度である。これにより、第１圧縮機２１の起動に必要なトルクが低減するという効果と、第１圧縮機２１の寿命が延びるという効果を好適に得ることができる。

第１圧縮機２１を起動させるためのトルクを、第２圧縮機５１から第３経路７０ｃを通って第１膨張タービン２３に流入する作動流体で全て賄うこともできる。従って、第１圧縮機２１の起動時に第１発電機７７から第１圧縮機２１に与えるトルクをゼロにすることができる。そのようにする場合には、第１発電機７７が不要となる。第１発電機７７の省略は、ガスタービンシステム２Ａの小型化、軽量化および低コスト化に繋がる。第１発電機７７が省略されたガスタービンシステムは、第１発電機７７での発電要求がなく、冷熱出力を主とした運転を行う場合において好適に用いることができる。なお、実施の形態１のような、第３弁７５ｃが存在しない場合であっても、第１発電機７７を省略してもよい。

上記実施の形態に係るガスタービンシステムは、冷熱・電力・温熱を使用する設備で好適に利用することができる。このガスタービンシステムは、例えば、食品スーパー、食品加工工場、車両、医療、バイオ分野等で利用することができる。

１Ａ，２Ａ ガスタービンシステム
２ ガスタービン装置
５ 冷却流体生成装置
２１ 第１圧縮機
２２ 第１シャフト
２３ 第１膨張タービン
２６ 燃焼器
２７ 再生熱交換器
２７ａ 熱供給部
２７ｂ 熱回収部
５１ 第２圧縮機
５２ 第２シャフト
５３ 第２膨張タービン
７０ 流体経路
７０ａ 第１経路
７０ａ１ 第１部分
７０ａ２ 第２部分
７０ｂ 第２経路
７０ｃ 第３経路
７０ｄ 第４経路
７０ｅ 第５経路
７１ 燃料経路
７２ 動翼
７２ｆ 外周端
７３ 抽気冷却器
７５ａ 第１弁
７５ｂ 第２弁
７５ｃ 第３弁
７５ｄ 第４弁
７５ｅ 第５弁
７７ 第１発電機
７８ 第２発電機
８０ 回転数検出器
８１ ケーシング
８２ ディフューザー
８３ 静翼
８４ 吸入口
９０ 羽根車
９１ 中心軸
９２ 吐出方向
９３ 仮想線
９９ 制御装置
ＩＯ 吐出口
ｐ１ 第１接続点
ｐ２ 第２接続点

Claims (4)

1. ガスタービンシステムであって、
   作動流体が流れる流体経路であって、第１経路、第２経路および第３経路を有する流体経路を備え、
   第１圧縮機と、第２圧縮機と、第１膨張タービンと、第２膨張タービンと、第１シャフトと、燃焼器と、第１弁と、第２弁と、を含み、
   前記第１シャフトは、前記第１圧縮機と前記第１膨張タービンとを連結し、
   前記第１経路は、前記第１圧縮機と、第１接続点と、前記燃焼器と、前記第１膨張タービンと、をこの順に接続し、
   前記第２経路は、前記第１接続点と、前記第２圧縮機と、第２接続点と、前記第１弁と、前記第２膨張タービンと、をこの順に接続し、
   前記第３経路は、前記第２接続点と、前記第２弁と、前記第１膨張タービンと、をこの順に接続している、ガスタービンシステム。
2. 前記第１膨張タービンは、前記第１シャフトに固定された羽根車を有し、
   前記羽根車は、前記第１シャフトの中心軸を中心に放射状に延びる複数の動翼を有し、
   前記第３経路は、前記作動流体を吐出方向に吐出させて前記作動流体を前記複数の動翼に衝突させる吐出口を有し、
   前記吐出口の中心から前記吐出方向に延びる直線を仮想線と定義し、前記中心軸と前記複数の動翼の外周端の間の距離を翼径と定義したとき、前記中心軸と前記仮想線の間の距離は、前記翼径の５０％〜１００％である、請求項１に記載のガスタービンシステム。
3. 前記ガスタービンシステムは、第３弁を含み、
   前記第１経路は、前記第１圧縮機と、前記第３弁と、前記燃焼器と、をこの順に接続している、請求項１または２に記載のガスタービンシステム。
4. 前記ガスタービンシステムは、前記第１シャフトによって前記第１膨張タービンに連結された第１発電機および／または第２シャフトによって前記第２膨張タービンに連結された第２発電機を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービンシステム。

Images